超燃冲压发动机主动式掺混增强技术研究

摘 要：燃料的掺混增强技术是现代超燃冲压发动机的关键技术， 针对如何使燃料充分掺混， 研究人员发展了多种掺混增强方法， 主要分为主动式和被动式两类。 主动式掺混增强技术是依靠大尺度的自激励来提高燃料的掺混程度， 因其易于控制、 结构简单等优点逐渐受到研究人员的青睐。 本文针对三种主动式掺混增强技术： 等离子体能量沉积辅助掺混技术、 波形/粗糙壁扰流技术和脉冲射流扰流技术进行了讨论， 介绍了其研究现状和发展前景， 并对未来的发展趋势进行了合理的展望， 为未来超燃冲压发动机燃烧室内燃料掺混增强技术的进一步优化发展提供了思路。

关键词：超燃冲压发动机； 掺混增强； 等离子体能量沉积； 波形/粗糙壁扰流； 脉冲射流扰流

中图分类号： TJ760; V436文献标识码：A文章编号： 1673-5048（2023）03-0112-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0161

0 引言

作为未来高超声速飞行器的理想推进装置， 超燃冲压发动机在航天航空领域中备受瞩目， 由于可以在攀升过程中从大气里获得氧气， 所以无需携带氧化剂， 在消耗相同质量燃料的条件下， 超燃冲压发动机可以产生4倍于火箭的推力。 在使用碳氢燃料时， 装备超燃冲压发动机的飞行器飞行速度一般在8马赫数以下， 当其携带液氢燃料时可以使飞行器的飞行速度达到6～25马赫数。 因为具有结构简单、 质量轻便、 高马赫数飞行时比冲大的特点， 其在巡航导弹、 高超声速飞行器等方面拥有广阔的应用前景［1］。 在正常工作状态下， 超燃冲压发动机内流道中气流的驻留时间为毫秒级［2］， 如何保证发动机在如此短的时间内完成燃料掺混、 点火并实现高效稳定的燃烧， 是一个困惑科研人员已久的难题。 因此， 增强燃料高效快速的掺混是超燃冲压发动机研制过程中面临的重要问题［3-7］。

燃料掺混增强技术按照其作用方式可划分为主动式和被动式两类［8］。 常见的被动式掺混增强技术有凹腔、 斜坡、 支板、 台阶等， 原理一般是通过产生的流向涡、 回流涡等促进燃料掺混； 而主动式掺混增强技术有脉冲射流、 FLIP-FLOP喷嘴、 声学激励等， 原理一般是采用大尺度外加激励来促进燃料掺混。 目前一些常见的主动和被动掺混技术中， 主动式掺混增强技术因为其易于控制和掺混效果良好正逐渐受到研究人员的青睐。 近些年来， 随着对主动掺混增强技术研究的深入， 一些有代表性的主动掺混方法进入了研究人员的视野： 如等离子体能量沉积辅助掺混技术、 波形/粗糙壁扰流技术、 脉冲射流扰流技术。 本文介绍了这三种前沿技术的研究现状和国内外最新的研究进展， 并结合实际对未来的发展前景做出了合理的展望， 最后对各种方式的优缺点进行了总结。

1 等离子体能量沉积辅助掺混技术

等离子体能量沉积辅助掺混技术是一种有能量注入的主动控制技术［9］， 其原理在于利用等离子体放电诱导的力/热扰动对流动加以控制。 等离子体能量沉积的响应时间一般不超过1 ms， 频率可低至10-2  Hz， 而最大可到102  kHz量级的范围； 激励器的结构相对简单， 易于安装和大范围布置， 不容易引起初始的气动型面的剧变， 且易于掌控［10］。 等离子体流动控制研究在国际社会上引起重视已久， 2009年， 以等离子体气动激励为代表的主动流动控制技术被美国航空航天学会（AIAA）列为10项航空航天前沿技术的第5项。 国外的等离子体流动控制研究已经开展了几十年之久， 最早由美国于20世纪60年代开始研究， 相较于国内有丰富的经验， 其早期的研究主要针对高超声速飞行器阻力， 而近十多年来， 在亚声速等离子体流动控制方面的研究逐渐增多［11-12］。 国内作为后期之秀， 也取得了一定的研究成果。 文献［11］对现有的几类等离子体激励器进行了归纳总结；文献［13-14］通过一系列研究等离子体流动控制的实验和模拟初步揭示了等离子体体积力的作用机理， 为后续研究打下了基础； 文献［15］将等离子体激励器沿轴向放置来产生周向旋流， 从而获得了机械式旋流器的效果并取得较好控制性。 本文所提及的等离子体能量沉积辅助掺混技术也是在高速流动控制中一种备受关注的方法， 该方法是利用微/纳秒时间尺度的气体放电极速放热所形成的局部力、 热冲击， 通过流场输运的动量和能量给流场施加非定常扰动， 具有响应时间短、 强度大、 频度宽等特点， 并可根据来流条件的变化调整工作状态， 在高速流动控制方面有一定的优势［16-18］。

1.1 等离子体能量沉积辅助掺混技术研究进展

由于等离子体能量沉积激励器不侵入流场， 可弥补物理装置带来的阻力和总压损失大的技术缺陷， 有研究者考虑将其作为增强燃料掺混的辅助手段， 并探索了掺混增强机理。 20世纪60年代中期， 通过聚焦激光束达到高辐射能量密度来实现气体击穿的方法被发现［19-20］， Adelgren 等［21］实现了脉冲激光能量沉积； Yan等［22］通过实验， 给出了脉冲能量为145 mJ、 脉宽为10 ns的远程微波能量沉积经过20 μs后的温度和压力等值线分布， 如图1～2所示。

2006年， Leonov等［23］通过实验证明了电弧能量沉积产生的极速湍流膨胀效应（如图3所示）对非预混多组分流动的掺混具有促进作用。 2017年， Leonov等［24］研究了准直流放电对超声速燃烧室直接射流气体燃料（H2和C2H4）的点火和火焰保持效应， 尝试了不同的压力、 燃料质量流量、 几何构型和放电功率。 实验证明氢的燃烧和火焰保持是通过等离子体射流模块（PIM）的H2+C2H4联合喷射。 2018年， Leonov等［25］通过凹腔和等直流放电器对超燃冲压发动机掺混效果的实验， 发现由等离子体引起的激波对凹腔上方的剪切层有两方面的影响： 一是增强了混合； 二是增加了空腔内的压力， 导致了流动结构的改变。

Samimy［26］设计了一种面向高速内流控制的等离子体能量沉积装置， 并论述了其在掺混增强方面的作用， 如图4所示。

严红等［27-29］通过LES模拟研究脉冲能量沉积在圆管自由射流掺混中的控制效果等一系列仿真和实验， 证明了在一定激励频率下脉冲能量沉积能够有效促进射流剪切层大尺度结构的发展， 并发现当能量沉积位于射流上方时， 更有利于射流剪切层大尺度涡结构的形成和发展， 从而实现更好的掺混， 如图5所示。

Ombrello等［30］通过实验研究了瞬态高压、 高温、 高速爆轰脉冲在M2射流中的掺混增强作用， 利用高帧率影像和平面激光诱导荧光技术研究了爆轰羽流与超声速流动的相互作用。 结果表明， 爆轰脉冲发生器在某一距离时会使掺混效果最好。

Rogg等［31］对重复激光火花激励法在超燃冲压发动机燃烧室中的掺混增强效应进行了数值研究， 研究了单个激光火花对掺混的影响与重复激光火花影响的区别。 结果发现， 重复的激光火花比单一的激光火花更能增强掺混效果。 主要的掺混增强途径来自于火花激励引起的混合体积的增加。

Zheltovodov等［32］基于欧拉方程的数值模拟证明了脉冲能量沉积可以提高强超声速气流与低密度超声速同向射流之间的掺混效果。 在最新的研究成果中， Liu等［33］通过求解三维非定常流动的雷诺平均N-S方程， 在空间和时间上研究了脉冲能量沉积对超声速圆射流混合增强的机理。 结果表明， 射流内部的能量沉积对射流掺混的促进作用要比之前射流上方的能量沉积更有效。 射流掺混效果的增强主要是通过能量沉积区与斜激波相互作用引发的大尺度涡来实现的。

1.2 等离子体能量沉积辅助掺混技术的未来研究趋势和发展前景

近年来， 在主动控制技术的等离子体能量沉积辅助掺混技术方面， 脉冲电弧放电和等离子体合成射流激励器呈现出高强度、 宽频带的特征， 在 STBLI（激波/湍流边界层干扰）的控制中受到了重点关注［34-37］， 但在实际运用方面还需要摸索。 目前的超燃冲压发动机主要以工作马赫数范围较窄的弹用尺寸为主， 比如美国 X-51A“乘波者”高超声速飞行器， 只实现了使用的马赫数为4.8～5.1范围的飞行验证， 而该飞行器的设计飞行马赫数在6～6.5之间， 根本无法满足需求［38］。 所以宽域、 火焰稳定等技术需求亟待在未来的超燃冲压发动机上实现。

针对上述问题， 国外提出了利用等离子体能量沉积辅助掺混技术促进超声速横向射流掺混的科学构想， 比如通过等离子体能量沉积的“诱导流向涡”和“湍流膨胀效应”之类的效应及其与横向射流诱导的 STBLI 相互作用的方式来提升横向射流的掺混效率。 发展使用高频脉冲放电等离子能量沉积掺混增强的新方法并研究这些效应如何相互作用来增强横向射流掺混的机理成为了未来十分有用的研究方向， 目前有一些可能有利于掺混的猜想， 如图6所示。

而对于等离子体能量沉积辅助掺混技术的数学物理模型建立和仿真方法方面， 还存在重重困难［10］。 在高马赫数和高雷诺数下的RANS 方法对于模拟该类激励过程， 精度远远不及LES模拟， 而LES模拟计算需要漫长的周期和巨大的花费， 这是一个难以避免问题； 未来需要基于多物理场耦合的数值模拟结果以及具有更高空间与时间精度的实验数据来建立更高精度的数学模型， 这些问题都亟待解决。

2 波形/粗糙壁扰流技术

波形/粗糙壁扰流技术在超声速混合增强方面的研究是近几年才兴起的。 其本质是激波发生器， 大量的实验和计算研究证实了燃烧室中的激波发生器可以有效地提高燃料的掺混效率［39-44］。 其主要原理为： 由高超声速来流流过波形壁的表面波产生的激波与射流相互作用， 从而引起流场的变化而导致其掺混作用的增强。 原理图如图7所示。 作为一种新兴的主动混合增强技术， 其在未来的应用方面十分有前景。

2.1 波形/粗糙壁扰流技术研究进展

波形/粗糙壁扰流技术在高超声速流动方面的运用与粗糙表面的STBLI息息相关， 然而根据现有资料［45］， 关于粗糙面的STBLI研究少之又少。 研究者都观察到了粗糙表面对流动显著的影响， Disimile［46］通过对一逆压梯度作用下粗糙表面的可压缩湍流边界层特性进行研究， 观察到流动的分离因为粗糙度而扩大， 这证明了粗糙度对流动的影响， 哪怕是低粗糙度也能增强粗糙面STBLI分离［47］。

2018年， Rahman等［48］对受到斜激波撞击的在平面上变化的湍流边界层进行了数值计算， 采用SST k-ω模型进行三维雷诺平均N-S （RANS）稳态模拟， 在部分壁面中构造波形壁面， 研究其对激波湍流边界层的影响， 发现波形面的频率比波长对平均流量有更重要的影响。

2019年， Gerdroodbary等［49］研究了上游波形壁对氢燃料射流混合效率的影响， 通过CFD数值模拟研究了几组不同波长和频率的波形壁在不同来流马赫数下掺混效率的变化。 结果表明， 相同条件下， 当来流马赫数从2增加到4时， 燃料的混合效率有显著增强。 正弦波形壁振幅增大或者马赫数增大时， 射流上游的回流区明显增大， 如图8所示， 这是混合增强的原因之一。

Manh等［50］采用同样的数值方法模拟了上游波形壁对喷油器下游氢横向射流分布的影响。 结果表明， 正弦波可以极大地改变超声速燃烧室内的流动特征， 并且回流区也出现了正弦壁和超声速来流相互作用而产生了两种激波： 弓形激波和分离激波， 而高振幅的波形壁诱导产生的弓形激波显著提高了混合效率。 Li等［51］进一步采用数值模拟的方法研究了上游正弦波形壁的频率对氢气横向射流的影响， 发现当正弦波形壁的频率足够高时， 混合速率显著增加——频率为1 200 Hz的正弦波形壁可以使混合效率大约增加25%以上。 2019年， Li等［52］将正弦波形壁安置在射流上游燃烧室上壁面并使用了多孔射流技术， 研究后发现， 正弦波形壁增加了超燃冲压发动机氢气的混合效率。 此外， 正弦波形壁增幅的增大也有利于燃烧室内燃油射流与超声速主流的混合（如图9所示）， 同时还发现了诱导激波强度增加对燃料掺混也有显著的促进作用。